Międzynarodowy zespół naukowców z Uniwersytetu w Nottingham opublikował przełomowe badanie pokazujące, że sprężony lub skroplony wodór zawiera znaczące ilości fizycznej energii, która może zostać wykorzystana do zwiększenia wydajności silników lotniczych o 25-50%. Dotychczas w dyskusjach o zastosowaniu wodoru w lotnictwie pomijano tę istotną składową energetyczną, koncentrując się jedynie na energii chemicznej pochodzącej ze spalania.
Podczas gdy spalanie wodoru w silniku dostarcza około 60 MJ energii na kilogram paliwa, badacze wykazali, że dodatkowo można wydobyć 16 MJ/kg z wodoru sprężonego do 700 barów oraz 30 MJ/kg z wodoru ciekłego. Ta dodatkowa energia pochodzi z fizycznej egzergii zgromadzonej podczas procesów sprężania lub skraplania paliwa.
„Dodatkowa praca reprezentująca 25-50% mocy wału produkowanej przez spalanie była w dużej mierze pomijana” – wskazują autorzy badania opublikowanego w International Journal of Hydrogen Energy.
Wodór jako przyszłość dekarbonizacji lotnictwa
Lotnictwo odpowiada za około 5% globalnego wpływu na zmiany klimatyczne i oczekuje się, że będzie rosło w tempie 4% rocznie do co najmniej 2040 roku. Międzynarodowe Zrzeszenie Transportu Lotniczego (IATA) zobowiązało się do osiągnięcia zeroemisyjności netto w sektorze do 2050 roku.
Wysoką gęstość energetyczną wodoru (120 MJ/kg wobec 43 MJ/kg dla nafty) oraz minimalne emisje gazów cieplarnianych czynią go atrakcyjnym paliwem przyszłości dla lotnictwa. Wodór można produkować w sposób zrównoważony przez elektrolizę zasilaną energią odnawialną, a jego spalanie generuje jedynie parę wodną.
Wyzwania magazynowania i ich ukryte korzyści
Niska gęstość wodoru jako czystej substancji stanowi problem techniczny. W przypadku gazowego wodoru sprężonego do 700 barów w najnowszych kompozytowych cylindrach typu 4, masa zbiornika przekracza masę wodoru ponad dziesięciokrotnie. W przypadku wodoru ciekłego wymagane jest chłodzenie do około 20K (-253°C).
Procesy sprężania i skraplania są kosztowne energetycznie, ale – jak pokazuje badanie – część tej energii może zostać odzyskana podczas lotu. Autorzy przeprowadzili analizę egzergii uwzględniającą różne warunki magazynowania, warunki operacyjne i metody wydobywania energii.
Analiza techniczna wykorzystania egzergii
Badacze analizowali wodór zarówno jako gaz idealny, jak i z uwzględnieniem rzeczywistych właściwości. Kluczowym aspektem jest dostępność ciepła na pokładzie samolotu – podczas utleniania wodoru zawsze generowane są znaczące ilości ciepła, którego dostępność przy znikomych kosztach marginalnych jest transformacyjna dla ilości pracy mechanicznej, jaką można odzyskać z paliwa pokładowego.
Perspektywy rozwoju technologii
Dla realistycznych warunków pracy turbiny gazowej można wydobyć ponad 16 MJ/kg ze sprężonego wodoru (przy 700 barach) i 30 MJ/kg z wodoru ciekłego. To stanowi znaczący dodatek do około 60 MJ/kg otrzymywanego ze spalania chemicznego.
Badanie podkreśla, że optymalizacja wykorzystania fizycznej egzergii wodoru może być kluczowa dla konkurencyjności tego paliwa w lotnictwie komercyjnym, szczególnie w kontekście wymagań dotyczących gęstości energetycznej i ograniczeń masowych samolotów.
Historia wodoru w lotnictwie
Wodór ma długą historię w lotnictwie, poczynając od użycia w balonach i sterowcach. W 1937 roku silnik Hansa von Ohaina Heinkel-Strahltriebwerk 1 był pierwszym silnikiem turbinowym zasilanym wodorem. W latach 50. Pratt & Whitney rozwijał silniki na wodór ciekły, co doprowadziło do powstania silnika rakietowego RL-10, używanego do dziś w zastosowaniach kosmicznych.
Odkrycie znaczenia fizycznej egzergii w wodorze lotniczym może przyspieszyć komercjalizację tego paliwa w sektorze lotniczym. Zwiększenie całkowitej wydajności energetycznej o 25-50% poprawia ekonomię projektów wodorowych i może sprawić, że staną się one konkurencyjne wobec konwencjonalnych paliw lotniczych znacznie wcześniej niż przewidywano. To może mieć kluczowe znaczenie dla osiągnięcia celów dekarbonizacji lotnictwa do 2050 roku oraz rozwoju technologii umożliwiających loty długodystansowe z zerową emisją netto. Badanie pokazuje również potrzebę zintegrowanego podejścia do projektowania systemów napędowych, które uwzględnia nie tylko spalanie, ale całościowe wykorzystanie energii zawartej w wodorze.